Электромагнитные взаимодействия

 

 

История открытия:

Первоначально электричество и  магнетизм считались двумя отдельными силами. Эта точка зрения изменилась, однако, с публикацией в 1873 году работы Джеймса Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму», в которой было показано, что взаимодействие положительных и отрицательных зарядов регулируется одной силой. Существуют четыре основных эффекта, следующие из этих взаимодействий, которые были ясно продемонстрированы экспериментами:

1. Электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: разноимённые заряды притягиваются, одноимённые — отталкиваются.
2. Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) привлекают или отталкивают друг друга похожим способом и всегда идут парами: каждый северный полюс не существует отдельно от южного.
3. Электрический ток в проводе создает круговое магнитное поле вокруг провода, направленное (по или против часовой стрелки) в зависимости от течения тока.
4. Ток индуцируется в петле провода, когда он сдвигается ближе или дальше относительно магнитного поля или магнит перемещается ближе или дальше от петли провода; направление тока зависит от направления этих перемещений.

Андре-Мари Ампер

Готовясь к лекции, вечером 21 апреля 1820 года, Ганс Христиан Эрстед сделал удивительное наблюдение. Когда он занимался подборкой материала, то заметил, что стрелка компаса отклоняется от северного магнитного полюса, когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включался и выключался. Это отклонение навело его на мысль, что магнитные поля исходят со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, подобно тому как распространяются в пространстве свет и тепло, и что опыт указывает на прямую связь между электричеством и магнетизмом.

Майкл Фарадей

На момент открытия, Эрстед не предложил  удовлетворительного объяснения этого  явления, и не пытался представить  явление в математических выкладках. Однако, три месяца спустя, он стал проводить  более интенсивные исследования. Вскоре после этого он опубликовал  результаты своих исследований, доказав, что электрический ток создает  магнитное поле, когда течёт по проводам. В системеСГС единицу электромагнитной индукции (Э) назвали в честь его вклада в область электромагнетизма.

Джеймс Клерк Максвелл

Выводы, сделанные Эрстедом, привели  к интенсивному исследованию электродинамики мировым научным сообществом. К 1820 году относятся также работы Доминика Франсуа Араго, который заметил, что проволока, по которой течет электрический ток, притягивает к себе железные опилки. Он же намагнитил впервые железные и стальные проволоки, помещая их внутрь катушки медных проволок, по которым проходил ток. Ему же удалось намагнитить иглу, поместив её в катушку и разрядив лейденскую банку через катушку. Независимо от Араго намагничивание стали и железа током было открыто Дэви. Первые количественные определения действия тока на магнит точно так же относятся к 1820 году и принадлежат французским учёным Жан-Батисту Био и Феликсу Савару^[20]. Опыты Эрстеда повлияли также на французского физика Андре-Мари Ампера, представившего электромагнитную закономерность между проводником и током в математической форме. Открытие Эрстеда также представляет собой важный шаг на пути к единой концепции поля.

Это единство, которое было обнаружено Майклом Фарадеем, дополнено Джеймсом Максвеллом, а также уточнено Оливером Хевисайдом иГенрихом Герцем, является одним из ключевых достижений XIX столетия в математической физике. У этого открытия были далеко идущие последствия, одним из которых стало понимание природы света. Свет и другие электромагнитные волны принимают форму квантованных самораспространяющихся колебательных явлений электромагнитного поля, названных фотонами. Различные частоты колебания приводят к различным формам электромагнитного излучения: от радиоволн на низких частотах, к видимому свету на средних частотах, к гамма-лучам на высоких частотах.

Эрстед не был единственным человеком, открывшим связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году Джованни Доменико Романьози, итальянский ученый-правовед, отклонял магнитную стрелку электростатическими разрядами. Но фактически в исследованиях Романьози не применялся гальванический элемент и постоянный ток как таковой отсутствовал. Отчёт об открытии были опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был почти не замечен научным сообществом того времен.

Эне́ргия электромагни́тного по́ля — энергия, заключенная в электромагнитном поле^. Сюда же относятся частные случаи чистого электрического и чистого магнитного поля.

Для электрического и магнитного полей  их энергия пропорциональна квадрату напряжённости поля. Строго говоря, термин «энергия электромагнитного  поля» является не вполне корректным. Вычисление полной энергии электрического поля даже одного электрона приводит к значению, равному бесконечности, поскольку соответствующий интеграл (см. ниже) расходится. Бесконечная энергия поля вполне конечного электрона составляет одну из теоретических проблем классической электродинамики. Вместо него в физике обычно используют понятие плотности энергии электромагнитного поля (в определённой точке пространства). Общая энергия поля равняется интегралу плотности энергии по всему пространству.

Плотность энергии электромагнитного поля является суммой плотностей энергий электрического и магнитного полей.

В системе СИ:

В вакууме (а также в  веществе при рассмотрении микрополей):

где E — напряжённость электрического поля, B — магнитная индукция, D — электрическая индукция, H — напряжённость магнитного поля, с — скорость света,   — электрическая постоянная и   — магнитная постоянная. Иногда для констант   и   — используют термины диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость вакуума, — которые являются крайне неудачными, и сейчас почти не употребляются.

В системе СГС:^[1]

Для электромагнитной волны  плотность потока энергии определяется вектором Пойнтинга S (в российской научной традиции — вектор Умова — Пойнтинга).

В системе СИ вектор Пойнтинга равен   (векторному произведению напряжённостей электрического и магнитного полей) и направлен перпендикулярно векторам E и H. Это естественным образом согласуется со свойством поперечности электромагнитных волн.

Вместе с тем, формула  для плотности потока энергии  может быть обобщена для случая стационарных электрических и магнитных полей  и имеет тот же вид:  .

Факт существования потоков  энергии в постоянных электрических  и магнитных полях может выглядеть  странно, но не приводит к каким-либо парадоксам; более того, такие потоки обнаруживаются в эксперименте.

 

 

 

  Лит.: Электромагнитные взаимодействия и структура элементарных частиц, пер. с англ., М., 1969; Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 3 изд., М., 1969; Фельд Б., Модели элементарных частиц, пер. с англ., М., 1971; Фейнман Р., Взаимодействие фотонов с адронами, пер. с англ., М., 1975; Вайнберг С., Свет как фундаментальная частица, пер. с англ., "Успехи физических наук", 1976, т. 120, в. 4.